DE2056084C3 - Schaltungsanordnung zum Einstellen und Konstanthalten der Drehzahl eines Gleichstrommotors - Google Patents
Schaltungsanordnung zum Einstellen und Konstanthalten der Drehzahl eines GleichstrommotorsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Einstellen und Konstanthalten der
Drehzahl eines konstant erregten Gleichstrommotors, insbesondere eines Kleinmotors, unter Heranziehung
der Gegen-EM Y. und des Spannungsabfalls am Ankerwidersland,
bestehend aus einer an einer Gleichspannungsquelle liegenden Brückenschaltung mit einer
ersten Brückenhälfte, die den Anker und einen Wider stand enthält, einer zweiten Brückenhäifte mit in Reihe
geschalteten Widerständen und einem in der Meüdiugonalc
angeordneten Regelglied.
Diese Schaltungsanordnung bezweckt eine Yerbilligung
der Herstellungskosten und eine Verbesserung des Antriebes von Geräten, bei denen eine
schwankende Belastung, eine schwankende Speisespannung und Temperaturänderungen vorliegen Derartige
sich auf den Antrieb nachteilig auswirkende Einflüsse treten beispielsweise bei batteriegespeisten
Reisediktiergerätcn. Filmgeräten und MngncMongerätcn
auf. Aber auch vom Speisenet/ unabhängige tragbare Kleinstrechner oder andere Geräte der
Bürotechnik sind davon betroffen. So ändert sich bei einem Magnetbandgerät die Belastung des Motors in
Abhängigkeit von der Menge des auf eine Spule gewickelten Bandes. Derartige Geräte haben auch verschiedene
wählbare Bandgeschwindigkeiten.
In der Technik wird verhältnismäßig oft die Aufgabe gcsteiit, einen motorischen Antrieb zu bauen, dessen
Drehzahl einstellbar und von der Belastung in gewissen Grenzen unabhängig ist und bei dem Helastungsänderungen
sowie Spannungs- und Temperatureinflüsse selbsttätig ausgcregelt werden.
Es sind daher Molorstcucr- und -a-gclschallunticn.
insbesondere für Gleichstrommotoren, entwickelt worden,
die Vorrichtungen zur Drehzahlmessung einschließen und bei denen aus dieser Messung Korrekturgroßen
abgeleitet werden. Derartige Meßvorrichtungen enthalten gewöhnlich einen Tachogenerator,
dessen erzeugte Spannung als Istwert mit einem Sollwert verglichen wird, wobei dann die sich ergebende
Differenz zur Steuerung eines Regelglicdes dient, durch das die Motorerregung, die Speisespannung oder eine
andere, die Drehzahl beeinflussende Grüße geändert
Lrd, Derartige Meß- und Regeleinrichtungen sind
relativ aufwendig, und sie sind /weekmäßigerweise nur fßi Antriebe größerer Leistung geeignet und nicht für
die vorgenannten batteriegespeisten Geräte. Es sind auch eine große Anzahl mechanischer und clektromechanischer
Regeleinrichtungen bekanntgeworden, die nach dem Flienkraftprinzip arbeiten, bei denen
durch Schaltkontakte oder Widerstände Ströme bzw. Spannungen verändert werden. Diese mechanischen
oder elektromechanischen Regler sind nicht genau und zuverlässig, und sie entsprechen nicht immer den
gestellten Forderungen. Andere, rein elektronische Scbaltungsanordnungen nutzen die elektromotorische
Kraft (Gegen-EMK.) aus, die ein Gleichstrommotor jjn Betrieb entwickelt, um eine Drehzahlregelung zu
bewirken.
In bestimmten Fällen sind auch die nachteiligen fcjoflüsse von Temperaturänderungen auf den Motor
und oder die Regelanordnung zu kompensieren, welche prehzahländerungen des Motors oder Änderungen in
der Charakteristik der Regeleinrichtung bewirken |önnen.
In der Fachzeitschrift »Regelungstechnik«, 6. Jjhr-•ane,
1958, Heft 10, S. 356 bis 358. ist in einem Auiiatz"»Drehzahlregelung
eines Gleichstrommotors ohne Tachomaschine« eine Meß- und Regelanordnung befchneben,
bei der an Stelle der Drehzahl des Motors die der Drehzahl proportionale elektromotorische
Kraft (Gegen-EMK) in einer Brückenschaltung ermittelt wird. Der Istwert dieser Gegen-ΞΜΚ wird mit
tinem Sollspannungswert verglichen, und durch die lieh ergebende Differenzspannung wird ein Kegler
gesteuert, der dann die Felderregung eines mit dem Jiotor verbundenen Leonardgenerators so ändert oder
«inen den Motor speisenden Magnetverstärker si. Iteuert. daß die Drehzahl dem Sollwert entspricht.
piese bekannte Brückenschaltung zur Ermittlung der Gegen-EMK besteht aus zwei parallelen, an der Speisespannung liegenden Brückenhälflen. Die eine Brückenlälfte,
die den Ankerstrom führt, besteht aus der Reilenschaltung des Ankers und eines Zusatzwiderstandes.
Dieser Zusatzwiderstand kann eine Wendepolwicklung des Motors sein. Die andere Brückenhaifte
enthält zwei in Reihe geschaltete Widerstände, deren Widerstandswerte so gewählt sind, daß bei stillstehendem
Motor die an eine Gleichspannungsquelle gelegte Brücke abgeglichen ist. Wenn sich die Brückenflemente,
speziell der Anker und der Zusatzwiderstand,
gleichmäßig erwärmen, ist in der Brückenschaltung tine genaue Temperaturkompensation gegeben Es ist
tin Nachteil dieser bekannten Drehzahlregeleinrichtung, daß sie einen Regler enthält, der die Felderregung
des Leonardgenerators iindert oder den Magnetvcrliarker
steuert. Fiine derartige Regelung ist in manchen Anwendungsfällcn zu träge und ungenau und kann zu
Pendelungcn führen. Diese bekannte Regeleinrichtung fet bei den eingangs genannten Geräteantrieben aus
den vorgenannten Gründen nicht zufriedenstellend geeignet, und außerdem ist sie zu aufwendig.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung de: Drehzahl
eines konstant erregten Gleichstrommotors, insbesondere eines Motors mit kleiner Leistung, zu
schaffen, die sehr empfindlich, trägh' ilsarm umi sehr
genau ist und die zu ihrem Betrieb wenig liieigie benötigt.
Eine weitere wesentliche Forderung besteht darin, daß diese Schaltungsanordnung einen sehr ein-
fachen Aufbau mit wenigen Bauelementen aufweist, so daß sie in kompakter Bauweise billig zu fertigen und für
die Massenfabrikation geeignet ist, Piese Schaltungsanordnung
soll außerdem eine lineare RegelcrmrakterisMk
aufweisen, Potentialünderungen seihst ausgleichen
und temperaturkompensiert sein. Das heißt,
Temperaturänderungen, die auf den Motor und/oder die Schaltungsanordnung einwirken, sollen ohne Auswirkung
auf die Drehzahl selbsttätig ausgeglichen werden.
Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß die erste Brückenhälfte aus der Reihenschaltung des Ankers und eines Stromfühlers, bestehend
aus einem Transistor und einem WWeistand,
und die zweite Brückenhälfte aus der Reihenschaltung einer Ankernachbildung und eines weiteren Stromfühlers,
bestehend aus einem Transistor und einem Widerstand, gebildet ist, daß die Ankernachbildung
eine stabilisierte, dem Sollwert der Gegen-EMK entsprechende Bezugsspannung bilde*, und daß ein Differenzverstärker,
der auf die miteinander verbundenen
Basiseingänge der beiden . ransistoren einwirkt, als
Regelglied dient.
Diese Schaltungsanordnung, die in ihrem Aufbau einer Brückenschaltung entspricht, enthält darin eine
Fühlanordnung zur indirekten Bestimmung des Ist-Wi-rtu-s
der Motordrehzahl, die als Gegen-EMK. des
Ankers dargestellt wird, eine Vergleichseinrichtung des Istwertes mit dem Sollwert der Drehzahl und ein
die Drehzahlabweichung ausgleichendes Regelglied,
das aus einem an die Meßklemmen angeschlossenen Transistor besteht, der als Differenzverstärker wirkt.
Diese erfindungsgemäße Schaltungsanordnung basiert auf dem Prinzip, daß bei einer Abweichung der Drehzahl
vom Sollwert sich auch die Gegen-F.MK des Ankers ändert, und durch sie wird bewirkt, daß diese
Abweichung der Gegen-EMK vom Sollwert durch eine Änderung der Änkerspannung geändert wird,
z. B. derart, daß bei einer Erhöhung der Motorbelastung eine höhere Spannung an den Ankerklemmen
liegt, obwohl die äußere angelegte Speisespannung sieh nicht ändert. Bei einer Lasländerung am Motor
und durch die sich dadurch ergebende Änderung des Ankerstromes in der ersten, den Ankerstrom führenden
Brückenhalfte bewirkt die Schaltungsanordnung eine Verschiebung der Spannungen an den Bauelementen
dieser ersten Brückenhälfte, derart, daß die Änderung
des Spannungsabfalls am Ankcrwidersiand des Motors
kompensiert wird, so daß sich wieder die der Solldrehzahl entsprechende Gegen-EMK am Anker
des Motors einstellt.
Ausführungsbeispicle der Erfindung werden im folgender,
an Hand von Schaltbildern naher beschrieben. Es zeigt
E ig. 1 das Schaltbild eines Ai^fiihrungsbeispieii-s
dei Erfindung.
E' i g. 2 bis 4 Anordmiiig'-n zur Einstellung der
Solldrehzahl.
Theoretische Gesichtspunkte
Die Grundgedanken der eriirdungsgcmäßen Schaltungsanordnung
werden nachstehend an Hand der I- 1 >j I erklärt. Im das Verständnis für den Aufbau
und die Wirkungsweise der erlindungsgemäßcn Schallungsanordnung
zu erleichtern, wird für das nachstehend erläuietle Atisfühningsheispkl ein Gleichstrommotor
mit einem eiscnfreien Anker vorausge-
setzt. Obwohl dem Fachmann Gleichstrommotoren mit eisenfreiem Anker bekannt sind, beispielsweise als
Glockenanker oder hohlzylindrische Rotoren mit aufgedruckter Ankerwicklung, sollen sich die nachstehenden
Erläuterungen auf einen theoretischen Motor mit idealen Eigenschaften beziehen, denn bei einer derartigen
Motorausführung besteht ein lineares Verhältnis zwischen der Drehzahl und dem Drehmoment. Dabei
ergeben sich die folgenden einfachen rechnerischen Beziehungen, aus welchen die Zusammenhänge gut zu
erkennen sind. Bei Motorankern, die Eisen enthalten, ergeben sich durch die Ankerrückwirkung, die magnetische
Sättigung« durch magnetische Streufelder und durch die größere Masse des Ankers kompliziertere
rechnerische Beziehungen, in denen die verschiedenen Einflüsse durch entsprechende Korrekturkoeffizienten
zu berücksichtigen sind. Dadurch wird die allgemeine Erklärung und die einfache Übersicht erschwert.
Die nachstehend beschriebene Schaltungsanordnung nutzt das lineare Verhältnis von Drehzahl und
Drehmoment, das, wie bereits vorstehend erwähnt wurde, bei Gleichstrommotoren mit eisenfreiem Anker
gegeben ist. Bei einem derartigen Motor steht dessen Gegen-EMK E und der Motorstrom / zur Klemmenspannung
U bekanntlich in folgender Beziehung:
U = E + IRa
d)
Dabei hängt das Motordrehmoment M folgendermaßen vom Ankerstrom / ab:
anderen Worten, wenn die Neigung der Kennlinie L' = / (/) gleich dem Wert R1 ist. ändert sich die
Motordrehzahl nicht bei Veränderungen des Drehmomentes.
Daraus folgt, daß die Neigung dir Kennlinie für die
Motordrehzahl und das Drehmoment unter konstanten Verhältnissen gleich Null ist, wenn die Klemmenspannung
des Ankers so geregelt wird, daß sie den /fi^-Abfall am Ankerwiderstand kompensiert, wenn
ίο sich der Strom bei Belastung ändert. Das dynamische Drehmoment-Drehzahl-Verhalten hängt von den Zeitkonstanten
der elektrischen Schaltung und der mechanischen Belastung ab. Wenn die Kreisverstärkung 1^ '
größer ist als der Wert, der benötigt wird, um die Neigung der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie gleich
Null zu halten, d. h. '-*■ > RA, wird das System unstabil.
Daher ist es erwünscht, eine leicht negative Neigung dieser Kennlinie ',f
< RA vorzusehen, um die Stabilität sicherzustellen.
Andere Schaltungsanordnungen können zwar auch die Ankerklemmenspannung bei Belastungsänderungen
auf konstante Drehzahl regeln, die erfindungsgemäßc Schaltungsanordnung ist jedoch einfach aufgebaut,
ihre Wirkung ist reproduzierbar, und sie weist ei>? gutes Verhalten in weiten Temperaturbereichen
auf.
M = C, ■ 1.
Beschreibung der Schaltungsanordnung (Fig. 1)
Die Motordrehzahl ft und die Gegen-EMK E stehen
bei konstantem magnetischem Fluß Φ, d. h. insbesondere bei konstanter Erregung, zueinander im Verhältnis:
= C2- n.
Dabei bedeutet U die Ankerklemmspannung des Motors, E die im Anker erzeugte elektromotorische
Kraft (Gegen-EMK), / den Ankerstrom des Motors, RA don Ankerwiderstand des Motors, M das vom
Motor erzeugte Drehmoment, η die Drehzahl des Motors, C, die Drehmomentkonstante des Motors
und C2 die Drehzahlkonstante des Motors.
Ein Hauptziel der Erfindung besteht darin, die Motordrehzahl bei veränderlicher Last konstant zu
halten. Da die EMK proportional der Drehzahl und der Ankerstrom direkt proportional dem Drehmoment
ist, genügt es die EMK bei veränderlichem Strom konstant zu halten. Das läßt sich mathematisch wie
folgt ausdrücken:
dE
Mit
wird
wird
also
ei | IRa | el | |
E = | U- | ei | |
dE | dU | ||
öl | ei | ||
dE | cU | ||
dl | |||
R Λ
= -r-_ rj = o.
(5) u. (4)
Um die Drehzahl bei veränderlicher Last konstant
zu halten, ergibt sich
cJJ
el
el
= R,,. Das bedeutet mit Zur späteren Betrachtung der Arbeitsweise der
Schaltungsanordnung sind verschiedene Klemmen darin mit den Buchstaben A bis K bezeichnet. Die erste
Brückenhälfte umfaßt den Anker 2, der durch ein Ankerschaltbild 1 und einen davon getrennt gezeichneten
Ankerwiderstand 12 dargestellt ist und der mit einem Transistor T1 und einem Widerstand 13 in
Reihe liegt. Der Transistor T1 stellt Änderungen des Ankerstroms fest, um die Gegen-EMK im Anker 2
konstant zu halten. Die zweite Brückenhälfte umfaßt zwei Transistoren T2 und T4 und zwei Widerstände 10
und U in Reihenschaltung, wobei der Transistor T2 mit dem Transistor T, als Stromfühler zusammenarbeitet
und die gewünschte Korrektur in der Schaltung festsetzt, mit welcher der Sollwert der Gegen-EMK
im Anker aufrechterhalten wird. Der Transistor T4 wird von einer am Spannungsteiler 5 abgegriffenen
Spannung gesteuert. Außerdem ist er Tr ;1 einer Ankernachbildung
6, um eine Bezugsspannung aufrechtzuerhalten, mit welcher die Gegen-EMK verglichen und
auf die sie geregelt wird.
Ein Transistor T3 dient als aktiver Teil eines Diffe
renzverstärkers 8. An den Transistor T3 ist ein Kon
densator 9 angeschlossen, um das Ansprechen dei Schaltung auf Stromänderungen und die fur die er
forderliche Korrektur benötigte Zeit zu beeinflussen Die zweite Brückenhälfte mit den Transistoren T
und T4 enthält Bauteile, die mit einem bestimmtci
Impedanzverhältnis relativ zu den Teilen ausgewähl sind, die in der ersten Brückenhälfte mit dem Anke
in Reihe geschaltet sind. Das gilt besonders für di Widerstände 10 und 11, deren Impedanzen im folgen
den mit XR4 bzw. XRF bezeichnet werden. Im erste;
Zweig liegen als entsprechende Gegenstücke die Widei stände 12 und 13, deren Impedanzen nachfolgend mi
RA bzw. RF bezeichnet werden. Dadurch soll zum Aus
druck kommen, daß die Impedanz XRA des Widei
(tandes 10 in einem vorgegebenen Verhältnis X zur
Impedanz RA des Widerstandes 12 steht. Dieselben
Überlegungen gelten auch Tür die Impedanzen XRh
und Rf der Widerstände 11 und 13. Eine Zenerdiode 15
legt die Bezugsspannung für die Gegen-EMK zwischen
den Klemmen A und B fest.
Im Betrieb schwankt der durch die rechte Brückenhälfte mit dem Anker 2 fließende Strom / entsprechend
den Belastungsänderungen. Wenn sich der Ankerstrom / während des Betriebes ändert, stellen
die Transistoren T1 und T2 das fest, bewerten den
Ankerstrom / und halten die /R-AbPdIIe in der Schaltungsanordnung
sowie die Gegen-EM K im Anker 2 auf einem Wert, der gleich der durch die Einstellung
des Spannungsteilers 5 gewählten Bezugsspannung ist, welche zwischen den Klemmen A und B liegt. Somit
nehmen die Transistoren T1 und T1 den Ankerstrom /
dividiert durch X und halten das Ergebnis im Widerstand 10 aufrecht. Wenn ein Strom / durch die rechte
Brückenhälfte mit dem Anker 2 fließt, dann fließt in der linken Brückenhälfte mit den Transistoren T2 und
T4 ein Strom /', der in einem vorbestimmten Verhältnis zum Ankerstrom / steht. Der Strom /' wird wie
folgt bestimmt:
i'(XRF) = /RF,
RF- | = U110, | + | UaF + U1 | = 0, |
U„o | - u„G | = Ufo | ||
U„o | + Ufo | |||
U„o | ||||
Bei dem angegebenen Verhältnis zwischen den Strömen / und Γ werden die Spannungen im unteren
Teil der Steuerschaltung, die den Stromfühler 3 mit den Transistoren T1 und T2 umfaßt, wie folgt bestimmt
(O bedeutet Erdklemme):
40
Aus diesen Gleichungen ist zu ersehen, daß mit der Tätigkeit des Stromfühlers 3 der Ausgleich verschiedener
Spannungen zwischen den Transistoren T1 und T2 und verschiedenen Klemmen F, G und H sowie
Erde (O) verbunden ist. Die zwischen den Klemmen G und H einerseits und F und G andererseits liegenden
Spannungen sind die Basis-Emitterspannungen der Transistoren T1 und T2, die im wesentlichen gleich
groß sind. Diese Spannungen heben sich in der Gleichung auf, und schließlich gleicht auch die Spannung
zwischen der Klemme H gegen Erde (O) die Spannung zwischen dem Anschluß F gegen Erde (O)
aus. Der Widerstand 19 dient als Ableitung für den Leckstrom des Transistors T3 und hat für die Wirkung
der Schaltungsanordnung keine Bedeutung. Ebenso spielt für die Schaltungsanordnung die Spannung
zwischen den Klemmen D und F keine Rolle.
Der Transistor T3 ist in der Schaltungsanordnung
enthalten, um mit ihm die zwischen den Klemmen D und K liegende Spannung zu steuern und sie so konstant
wie möglich zu halten.
Beim Ausgleich der Spannungen im vorstehend beschriebenen Stromfühler3 werden im wesentlichen
die Spannungen im unteren Teil der Schaltungsanordnung ausgeglichen. Dadurch wird schließlich ein
Ausgleich der Spannungen im oberen Teil der Schaltungsanordnung erreicht, zu welchem der Stromkreis
über die Klemmen A, ß, C, D, K, J und schließlich zurück zur Klemme A gehört. Die obere Beziehung
oder der Ausgleich der Spannungen wird durch die folgenden Gleichungen wiedergegeben:
- Uni< -
ab
+ UM + IR., - Uhei -IR4-E = O1
UAB-E =
UAB =
Beachte: UAB = URtr (UREr = Bezugsspannung).
Wie in den obigen Gleichungen gezeigt wird, findet ein Ausgleich der Spannungen im oberen Teil der
Schaltungsanordnung mit der Ankernachbildung 6 und dem Anker 2 statt, den man mit dem Ausgleich
der Spannungen im Stromfühler 3 vergleichen kann. Die Spannung zwischen den Klemmen A und ß, welche
als Bezugsspannung für die EMK dient, ist bei dem in den Gleichungen gezeigten Ausgleichseffekt unter
allen Lastbedingungen gleich der EMK. Das ist wiederum darauf zurückzuführen, daß der Ankerstrom /
multipliziert mit dem Wert des Ankerwiderstandes RA
einen Wert ergibt, der gleich dem Strom L multipliziert
mit dem Widerstandswert XRA ist, wobei der Faktor X eine Vervielfachung des Ankerwiderstandswertes
RA darstellt.
Der Spannungsausgleich kann auch wie folgt ausgedrückt werden: Der Spannungsabfall im Versorgungsteil
der Basis des Transistors T4 plus Basis-Emitterspannung
des Transistors T4 plus Spannungsabfall am Widerstand 10 minus Basis-Emitterspannung des
Transistors T3 minus Spannungsabfall am Anker 2 ist gleich Null. Die Basis-Emitterspannungen der
Transistoren T4 und T3 heben sich praktisch auf, da
sie entgegengesetzte Polarität haben und etwa gleich groß sind.
In der oben beschriebenen Anordnung ist die Gegen-EMK des Ankers 2 gleich der durch die Zenerdiode
15 stabilisierten Spannung an der Basis des Transistors T4, die sehr konstant gehalten werden
kann. Also ist die Gegen-EM K des Ankers 2 im wesentlichen gleich dem durch den Spannungsteiler 5 festgelegten
Anteil der Zenerspannung. Man kann auch sagen, daß die Spannung zwischen Kollektor und
Basis des Transistors T4 der Gegen-EMK des Ankers 2 entspricht.
Zusammengefaßt ergibt die beschriebene Regelung der Motordrehzahl durch Ausgleich der Spannungen
sowohl im oberen als auch im unteren Teil der Schaltungsanordnung, daß die Gegen-EMK des Ankers 2
jederzeit auf der gewünschten Bezugsspannungsgröße gehalten wird, weiche zwischen den Klemmen A und B
liegt.
Ein Widerstand zwischen der Klemme C und Erde 0 erscheint in den zuvor erläuterten Spannungsbeziehungen nicht, ist jedoch erforderlich, um die
Schaltungsanordnung in Betrieb zu setzen, da der Transistor T2 unter Einschaltbedingungen nicht leitet.
Ohne diesen Widerstand würde im Transistor T
409647/127
kein Basisstrom fließen. Dann würden auch die Transistoren 7", und T1 nicht eingeschaltet werden
und die ganze Einrichtung nicht anlaufen. Außerdem legt dieser Widerstand einen Mindest- oder Leerlaufstrom
für den Transistor 74 zur Stabilisierung seiner Basis-Emitterspannung UbFi fest.
"Temperaturkompensation
Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Schaltungsanordnung liegt in der damit verbundenen
Temperaturkompensation, die hauptsächlich auf Grund des Spannungsausgleiches erzielt wird.
Die während des Betriebes auftretende Temperatur beeinflußt hauptsächlich die Basis-Emitterspannungen
der Transistoren T3 und T4. wobei eine bezüglich
der Temperatur stabile Bezugsspannung angenommen wird. Wie bereits in den vorangehenden Gleichungen
gezeigt wurde, haben diese Spannungen den gleichen Wert und entgegengesetzte Polarität und kompensieren
sich deshalb beim Betrieb der Schaltungsanordnung.
(V = UM.
AB
χ[Λ
- IR , -E = O.
In den obigen Gleichungen ist die Spannung l*HC
gleich der Basis-Emitterspannung Ubei des Transistors
T4, während die Spannung UDK gleich der Basis-Emitterspannung
Ube3 des Transistors T3 ist. Wie
schon mehrfach ausgeführt, sind diese Spannungen gleich groß und von entgegengesetzter Polarität,
heben sich also auf. Wie ebenfalls bereits gezeigt wurde, heben sich auch die Spannungen an den Widerständen
10 und 12 auf und erreichen somit einen ausgeglichenen
Zustand, wobei die Bezugsspannung zwischen den Klemmen A und B gleich der Gegen-EMK des Motors
ist.
Für den unteren Teil der Schaltungsanordnung mit den Transistoren T1 und T1 gelten die folgenden Beziehungen
:
υαΡ = υΜ.
IRF + UG„ - UGF - ^iXRF) = O.
Ucn = Uc
Die Spannungen an den Widerständen RF und XRr
heben sich, wie bereits gesagt, gegenseitig auf. Die
Änderungen der Basis-Emitterspannung U6,., des Transistors
Γ, sind gleich und von entgegengesetzter Polarität derjenigen des Transistors T1. Sie heben sich
also ebenfalls auf und halten dadurch bezüglich der Temperatur die Stabilität im unteren Teil der Schaltungsanordnung
aufrecht.
Anordnungen zur Einstellung der Bezugsspannung
Die F i g. 2 bis 4 zeigen mehrere Anordnungen zur Einstellung der Bezugsspannung zwischen den
Klemmen A und B.
Mit der in Fig. 2 gezeigten Schallung können zwei
Bczugsspanrningsstellungen in der Schaltung nach
F i g. 1 für zwei entsprechende Motordrehzahlen vorgenommen werden. Die Schaltung umfaßt einen
Schalter 20 mit zwei Schaltstellungen. Wenn der Schalter 20 eingeschaltet ist. wird die ganze von der
Zenerdiode 15 gelieferte Spannung über das Potentiometer 22 an die Steuerstrecke des Transistors 7"4
gegeben. Ist der Schalter 20 ausgeschaltet, so wird nur
ίο die Hälfte der von der Zenerdiode 15 gelieferten Spannung
an das Potentiometer 22 gegeben. Somit beträgt die Kollektor-Basisspannung fur den Transistor T4
zwischen den Klemmen A und B bei dieser Schalterstellung
die Hälfte der Spannung bei eingeschaltetem
"5 Schalter 20. wodurch die Motordrehzahl auf die Hälfte z. B. der Nenndrehzahl festgelegt wird.
F i g. 3 zeigt eine Anordnung, in welcher zwei
Spannungsteiler 25 und 26 wahlweise durch entsprechende Stellung eines Umschalters 27 angeschlossen
werden. Die Abgriffe der Spannungsteiler 25 und 26 sind auf verschiedene Motordrehzahlen einstellbar.
Je nach Stellung des Schalters 27 wird die eine oder die andere Motordrehzahl vorgegeben.
F i g. 4 zeigt eine weitere mögliche Anordnung zur
Festlegung einer gewünschten Bezugsspannung zwischen den Klemmen ,4 und ß. In dieser Schaltung ist
der Transistor T4 enthalten, dessen Basis über ein Potentiometer 30 in Reihe mit einem zweiten Potentio
meter 31 an die Klemme A geschlossen ist. Die Zener-
yo diode 15 liefert eine stabile Bezugsspannung. Wenn
angenommen wird, daß das Potentiometer^ sich stetig linear von einem Endwert seines Bereiches zum
anderen Endwert bewegt, so ändert sich das an der Basis des Transistors T4 verfügbare Potential ebenfalls
linear und liefert dadurch eine Bezugsspannung für die in F i g. 1 gezeigte Schaltungsanordnung, die eine
lineare Änderung der Motordrehzahl wahrend derjenigen
Zeit liefert, die erforderlich ist. um das Potentiometer 30 über seinen ganzen StellbercHi zu bewegen.
An die Basis des Transistors T4 kann auch eine Leitung
35 gelegt werden, wodurch ein hyperbolischer Verlauf der durch das Potentiometer 30 festgelegten Steuerung
möglich ist. Dann ändert sich also sowohl die Bezugsspannung zwischen den Klemmen A und B als auch
die zugehörige Motordrehzahl hyperbolisch. Die beiden anderen Potentiometer legen die oberen und
unteren Grenzwerte Tür die Drehzahleinstcllung fest.
_o Arbeitsweise der Schaltungsanordnung
Die Arbeitsweise der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung
beim Wechsel von Nenn-*zu Höchstlast oder in entgegengesetzter Richtung von Nennlast
zu Unterlast wird nachstehend beschrieben. Die Schaltungsanordnung soll die Motordrehzahl z. B.
innerhalb von ± 1% des Sollwertes halten.
Wenn die Motorbelastung an der Welle durch einen Anstieg des Drehmomentes\-ächst, Fällt die Drehzahl
ab, und der Ankerstrom / steigt an. Dadurch wird der Strom in der Kollektor-Basis-Strecke des Transistors
T1 und damit auch in dessen Basis-Emitter-Strecke hochgetrieben. Auf Grund des Stromanstieges nimmt
auch die Spannung von Klemme H gegen~Erde zu.
Da die Basis-Emitter-Spannung Ube beiden verwendeten
Transistoren Für kleine Stromänderunecn annähernd konstant ist, nimmt die Spannung von
Klemme G gegen Erde um denselben Betrag zu wie die Spannung von Klemme H gegen rrdc.
55
Fiii kleine Stromändcrungen ist auch die Basislimitler-Spannung
l;p2 von Transistor 7 . eine Konstante,
und somit nimm/ die Spannung von Klemme /·'
gejien Erde um denselben Betrag /u wie von den
Klemmen 0 und // gegen Knie. Dadurch steigt der
Strom im Transistor T1 entsprechend dem Stromanstieg
im Transistor T1 an. und /war um .i'eiui.i denselben
Prozentsatz, wobei die tatsächliche Größe des Stromes durch das Verhältnis /wischen den Widerstandswerten
K, und \R1..also .Y.dividiert wird. Wenn
der Ankcrslroin ansteigt, steigt sofort auch der ohmsche
Spannungsabfall am Ankeiwiderstand 12 an.
Die Klemmenspannung zwischen A und K am Anker bleibt für etwa 10 msec konstant, da noch keine
Reaktion zur Erhöhung erfolgt ist. Der obmsche Spannungsabfall wird jedoch sofort erhöht, wenn der
Strom I im Anker und im Transistor T1 zunimmt.
Somit hat der Spannungsabfall zwischen den Klemmen ./ und K zugenommen. Da die äußere Klemmenspannung
konstant geblieben ist. muß die Gegen-IIIK
um denselben Spannungswert abfallen, um den die Spannung zwischen den Klemmen .7 und K ansteigt.
Wenn der Strom im Transistor T1 zunimmt,
steigt der Strom im Transistor T2 um den gleichen Prozentsatz,
jedoch eine Kleinigkeit später, an. Daher wächst der Spannungsabfall zwischen den Klemmen C
und D am Widerstand .YR1 um denselben Betrag, um
den die Spannung im Ankerwiderstand 12 zwischen den Klemmen ./ und K ansteigt.
Da die Spannung zwischen den Klemmen A und Γ konstant ist. fallt zu diesem Zeitpunkt das Potential
an Klemme D um denselben Betrag ab. wie der Spannungsabfall zwischen den Klemmen J und K wächst.
Die Klemmenspannung zwischen den Klemmen A und K ist in diesem Zeitpunkt um den Abfall erhöht
worden, der zwischen den Klemmen ./ und K auftrat,
und auf Grund des Ansteigens zwischen den Klemmen .1 und K kehrt die Gcgen-FMK des Motors auf ihren
Lirsprungs wert zurück. Wenn die Schaltungsanordnung
also eine Änderung des Belastungsdrehmomentes feststellt, beginnt sie augenblicklich, die Motordrehzahl
zu verändern. Ändert sich die Drehzahl, so ändert sich auch der Ankerstrom auf Grund der sich ändernden
EMK. Die Schaltungsanordnung stellt jedoch den veränderten Strom fest und regelt innerhalb weniger
Millisekunden die Klemmenspannung nach, um die HMK und die Drehzahl auf ihre Ursprungswerte
zurückzubringen. Dieser übergang, das heißt die zugehörige Erholungszeit, wird bestimmt durch den
Wert des Kondensators 9. der z.wischen der Basis des Transistors T1 und der Basis des Transistors T2
angeordnet ist.
Es wird noch bemerkt, daß die Drehzahländerung Dicht sofort erfolgt, sondern mit einer bestimmten
Übergangszeit. Die Reaktionszeit der Schaltung ist daher rasch aenue. um erößerc Dreh/ahländerunsen
wegen IHehmomentschwanklingen i" den meisten
E'iiUen zu verhindern.
Wenn das Drehmoment an der Motorwelle abnimmt,
steigt die Drehzahl sofort an. und der Ankers
strom beginnt zu fallen. Der Spannungsabfall zwischen
den Klemmen ./ und K beginnt auch zu fallen. Die Klemmenspannung z.vischen den ülemmen .1 und K
konnte sich noch nicht verändern, und der sinkende ohmsche Spannungsabfall wird zur Geeen-EMK des
,ο Motors addiert. Wenn der Strom sinkt, lallt auch der
Kollektorstrom des Transistors 7",. Die Spannung z.wischen Klemme // und Erde nimmt ebenfalls ab.
demzufolge auch die Spannungen zwischen den Klemmen G und F und Erde, und der Strom im Transistor T2
κ fällt um denselben Prozentsatz wie der Strom im
Transistor T1. Der Spannungsabfall pm Widerstand 10 nimmt daher von seinem Anfangswert bei Nennlast
ebenfalls ab auf einen reduzierten Wert, welcher dem verminderten Kollektorstrom des Transistors T1 entspricht.
Daher steigt auch das Potential an Klemme D an. das Potential an Klemme E ebenfalls und die
Spannurg zwischen den Klemmen A und K fällt mti
denselben Betrag ab wie der Spannungsabfall am Widerstand 12. Das E'inregulieren der Klcmmenspannung
erniedrigt die Gegcn-E.MK genau auf den Wert, den sie vor der Verminderung des Mo'orslroms
hatte, und die Drehzahl kehrt auf ihren Nennwert zurück.
Reaktionszeit der Schaltungsanordnung
Die Große des Kondensators 9 hängt von der
Motorleistung sowie von der dynamischen Charakteristik der Schaltungsanordnung ab. Dabei wird ver-
}> sucht, die dynamischen Verhältnisse der mechanischen
Einrichtung durch die Reaktionszeit der Schaltungsanordnung auszubleichen, um eine Tiber- oder I 'ntersteuerung
zm vermeiden. w*nn die Drehzahl auf ihren
Normalwcrt zurückkehrt. Wenn der Wert des Kondensators
nicht richtig gewählt ist. kann die Regelung übersteuert werden und über die Solldrehzahl hinausschwingen
und diese dann wieder von det anderen i>eite her erreichen, oder sie ka>
.n unterstcuert werden und dann die Solldrehzahl zu langsam wieder errei-
4s chen. Der Kondensator 9 ist lediglich Tür die dynamische
Charakteristik des Antriebes vorgesehen und spielt bei der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung
sonst keine Rolle. Er bietet insofern einen ■ 'lsätzhchen Vorteil, als er Kommutierungsstromspazcn u.dgl.
ausgleicht, die im Ankerstrom auftreten. Der Kondensator
wirkt als Filter und gestattet der Schaltungsanordnung,
den Motorstrom auf einem Durchschnittswert zu halten und nicht momentanen Änderungen
zu folgen. Der Kondensator dient somit zwei Zwecken:
5c Dämpfung der Schaltungsanordnung und Ausfihcrung
von Störspannungen oder -strömen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Schaltungsanordnung zum Ginstellen und
Konstanthalten der Drehzahl eines konstant erregten Gleichstrommotors, insbesondere eines s
Kleinmotors, unter Heranziehung der Gegen-EM K und des Spannungsabfalls am Ankerwiderstand,
bestehend aus einer an einer Gleichspannungsquelle liegenden Brückenschaltung mit einer ersten Brükkenhälfte,
die den Anker und einen Widerstand !o enthält, einer zweiten Brückenhälfte mit in Reihe
geschalteten Widerständen und einem in der Meßdiagonale angeordneten Rege]glied, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste Brückenhälfte aus der Reihenschaltung des Ankers
(2) und eines Stromluhlers, bestehend aus einem Transistor (T,) und einem Widerstand (13), und
die zweite Brückenbälfte aus der Reihenschaltung einer Ankernachbildung (6) und eines weiteren
StromfiJhlers, bestehend aus einem Transistor (T2)
und einem Widerstand (ti), gebildet ist. daß die Ankernachbildung (6) eine stabilisierte, dem Sollwert der Gegen-EMK entsprechende Bezugsspannung bildet und d::ß ein Differenzverstärker^),
der auf die miteinander verbundenen Basiseingänge der beiden Transistoren (T1. T2) einwirkt, als
Regelglied dient.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß die Ankernachbildung
(6) aus der Reihenschaltung eines einseitig an einer Klemme (A) der Gleichspannungsquelle
liegenden Transistors (T4.) und eines den Anker-
»pannungsabfall nachbilden.';n Widerstandes (10)
besteht und daß die Bisis dieses Transistors (T4)
mit einer Bezugsgleit-hspannucgsquelle (5. 15) verbunden
ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnci, daß die Transistoren (T1.
T2) der Stromfühler (3) an die Meßklemmen (K. D) der Brückenschaltung angeschlossen sind.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch I. 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker
(8) einen Transistor (T,) aufweist, der zwischen der Meßklemme (A') der ersten Brückcntiälfte
und den Basiseingängen der Transistoren (T1. T2) der Stromfühler (3) liegt und dessen Basis
mit der Meßklemme (D) der /weiten Brückenhälftc
verbunden ist. und daß ein Widerstand (19) zwiichcn
den Basiscingängen der Transistoren (T1. T,)
der Stiomfühlcr (3) und der diesen zugeordneten
Klemme (O) der Gleichspannungsqucllc angeordnet ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (T4) in der
Ankernachbildung (6) und der Transistor (T,) im Differenzverstärker (8) in ihren Werten so gewählt
und angeordnet sind, daß sich ihre Basis-I niitterspannungcn
kompensieren.
6. Schallungsanordnung nach Anspruch 2. 4 oder 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugs- <*>
gleichspannungsquelle (5. 15) in der Ankernachbildung (6) wenigstens einen zu einer Zenerdiodc
(15) parallclgeschaltctcn einstellbaren Spannungsteiler (5) enthält, dessen Abgriff (ß) mit der Basis
des Transistors (T4) in der Ankcrnachbildung (6) f\s
verbunden ist, und daß diese Parallelschaltung einerseits mit der ankemachbildungsseitigen
Klemme (A) und andererseits über einen Widerstand mit der anderen Klemme (0) der Gleichspannungsquelle
verbunden ist.
7 Schaltungsanordnung nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsgleichspannungsquelle
zwei zur Zenerdiode (15) paralleleschaltete, einstellbare Spannungsteiler (25.26| enthalt,
deren Abgriffe wahlweise durch einen Schaltet (27)'mit der Basis des Transistors (T4) in der Ankernachbildung
(6) verbindbar sind (F i g 3).
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, daß die bezugsglcieh
spannungsquelle eine Zenerdiode (15) und eim
mebrgliedrige Spannungsteilerschaltung umfaßt die wenigstens ein einstellbares Potentiometer (22
30) enthält und deren Einstellbereiche stufenweise odT kontinuierlich wählbar sind (Fig. 2 und 4|
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, da L
zwischen den Basiseingang des Transistors (T1) im
Differenzverstärker (8) und die ba^scingänge der
Transistoren (T1. T-.) der Stromfühler (3) ein Kondensator
(9) Beschallet ist.
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